瞭解 MongoDB 看這一篇就夠了

目錄

• 一、簡介
• 二、基本模型
  • BSON 資料型別
  • 分散式ID
• 三、操作語法
• 四、索引
  • 索引特性
  • 索引分類
  • 索引評估、調優
• 五、叢集
  • 分片機制
  • 副本集
• 六、事務與一致性
  • 一致性
• 小結

一、簡介

MongoDB 是一款流行的開源文件型資料庫，從它的命名來看，確實是有一定野心的。
MongoDB 的原名一開始來自於 英文單詞"Humongous", 中文含義是指"龐大"，即命名者的意圖是可以處理大規模的資料。

但筆者更喜歡稱呼它為 "芒果"資料庫，除了譯音更加相近之外，原因還來自於這幾年使用 MongoDB 的兩層感覺：

• 第一層感受是"爽"，使用這個文件資料庫的特點是幾乎不受什麼限制，一方面Json文件式的結構更容易理解，而無Schema約束也讓DDL管理更加簡單，一切都可以很快速的進行。

• 第二層感受是"酸爽"，這點相信幹運維或是支撐性工作的兄弟感受會比較深刻，MongoDB 由於入門體驗"太過於友好"，導致一些團隊認為用好這個資料庫是個很簡單的事情，所以開發兄弟在存量系統上埋一些坑也是正常的事情。
  所謂交付一時爽，維護火葬場.. 當然了，這句話可能有些過。 但這裡的潛臺詞是：與傳統的RDBMS資料庫一樣，MongoDB 在使用上也需要認真的考量和看護，不然的化，會遇到更多的坑。

那麼，儘管文件資料庫在選型上會讓一些團隊望而卻步，仍然不阻礙該資料庫所獲得的一些支援，比如 DB-Engine 上的排名：

圖-DBEngine排名

在全部的排名中，MongoDB 長期排在第5位(文件資料庫排名第1位)，同時也是最受歡迎的 NoSQL 資料庫。
另外，MongoDB 的社群一直比較活躍，加上商業上的驅動(MongoDB於2017年在納斯達克上市)，這些因素都推動了該開源資料庫的發展。

如果對於 MongoDB的發展史感興趣，可以參考下沒有一個技術天生完美，MongoDB 十年發展全紀錄這篇文章。

MongoDB 資料庫的一些特性：

• 面向文件儲存，基於JSON/BSON 可表示靈活的資料結構
• 動態 DDL能力，沒有強Schema約束，支援快速迭代
• 高效能運算，提供基於記憶體的快速資料查詢
• 容易擴充套件，利用資料分片可以支援海量資料儲存
• 豐富的功能集，支援二級索引、強大的聚合管道功能，為開發者量身定做的功能，如資料自動老化、固定集合等等。
• 跨平臺版本、支援多語言SDK..

假定你是初次瞭解 MongoDB，下面的內容將能幫助你對該資料庫技術的全貌產生一定的瞭解。

二、基本模型

資料結構對於一個軟體來說是至關重要的，MongoDB 在概念模型上參考了 SQL資料庫，但並非完全相同。

關於這點，也有人說，MongoDB 是 NoSQL中最像SQL的資料庫..

如下表所示：

SQL概念	MongoDB概念
database	database
table	collection
row	document
column	field

• database 資料庫，與SQL的資料庫(database)概念相同，一個資料庫包含多個集合(表)
• collection 集合，相當於SQL中的表(table)，一個集合可以存放多個文件(行)。 不同之處就在於集合的結構(schema)是動態的，不需要預先宣告一個嚴格的表結構。更重要的是，預設情況下 MongoDB 並不會對寫入的資料做任何schema的校驗。
• document 文件，相當於SQL中的行(row)，一個文件由多個欄位(列)組成，並採用bson(json)格式表示。
• field 欄位，相當於SQL中的列(column)，相比普通column的差別在於field的型別可以更加靈活，比如支援巢狀的文件、陣列。
  此外，MongoDB中欄位的型別是固定的、區分大小寫、並且文件中的欄位也是有序的。

另外，SQL 還有一些其他的概念，對應關係如下：

SQL概念	MongoDB概念
primary key	_id
foreign key	reference
view	view
index	index
join	$lookup
transaction	trasaction
group by	aggregation

• _id 主鍵，MongoDB 預設使用一個_id 欄位來保證文件的唯一性。
• reference 引用，勉強可以對應於 外來鍵(foreign key) 的概念，之所以是勉強是因為 reference 並沒有實現任何外來鍵的約束，而只是由客戶端(driver)自動進行關聯查詢、轉換的一個特殊型別。
• view 檢視，MongoDB 3.4 開始支援檢視，和 SQL 的檢視沒有什麼差異，檢視是基於表/集合之上進行動態查詢的一層物件，可以是虛擬的，也可以是物理的(物化檢視)。
• index 索引，與SQL 的索引相同。
• $lookup，這是一個聚合操作符，可以用於實現類似 SQL-join 連線的功能
• transaction 事務，從 MongoDB 4.0 版本開始，提供了對於事務的支援
• aggregation 聚合，MongoDB 提供了強大的聚合計算框架，group by 是其中的一類聚合操作。

BSON 資料型別

MongoDB 文件可以使用 Javascript 物件表示，從格式上講，是基於 JSON 的。

一個典型的文件如下：

{
  "_id": 1,
  "name" : { "first" : "John", "last" : "Backus" },
  "contribs" : [ "Fortran", "ALGOL", "Backus-Naur Form", "FP" ],
  "awards" : [
    {
      "award" : "W.W. McDowell Award",
      "year" : 1967,
      "by" : "IEEE Computer Society"
    }, {
      "award" : "Draper Prize",
      "year" : 1993,
      "by" : "National Academy of Engineering"
    }
  ]
}

曾經，JSON 的出現及流行讓 Web 2.0 的資料傳輸變得非常簡單，所以使用 JSON 語法是非常容易讓開發者接受的。
但是 JSON 也有自己的短板，比如無法支援像日期這樣的特定資料型別，因此 MongoDB 實際上使用的是一種擴充套件式的JSON，叫 BSON(Binary JSON)。

BSON 所支援的資料型別包括：

圖-BSON型別

分散式ID

在單機時代，大多數應用可以使用資料庫自增式ID 來作為主鍵。 傳統的 RDBMS 也都支援這種方式，比如 mysql 可以通過宣告 auto_increment來實現自增的主鍵。 但一旦資料實現了分散式儲存，這種方式就不再適用了，原因就在於無法保證多個節點上的主鍵不出現重複。

為了實現分散式資料ID的唯一性保證，應用開發者提出了自己的方案，而大多數方案中都會將ID分段生成，如著名的 snowflake 演算法中就同時使用了時間戳、機器號、程式號以及隨機數來保證唯一性。

MongoDB 採用 ObjectId 來表示主鍵的型別，資料庫中每個文件都擁有一個_id 欄位表示主鍵。
_id 的生成規則如下：

圖-ObjecteID

其中包括：

• 4-byte Unix 時間戳
• 3-byte 機器 ID
• 2-byte 程式 ID
• 3-byte 計數器(初始化隨機)

值得一提的是 _id 的生成實質上是由客戶端(Driver)生成的，這樣可以獲得更好的隨機性，同時降低服務端的負載。
當然服務端也會檢測寫入的文件是否包含_id 欄位，如果沒有就生成一個。

三、操作語法

除了文件模型本身，對於資料的操作命令也是基於JSON/BSON 格式的語法。

比如插入文件的操作：

db.book.insert(
{
  title: "My first blog post",
  published: new Date(),
  tags: [ "NoSQL", "MongoDB" ],
  type: "Work",
  author : "James",
  viewCount: 25,
  commentCount: 2
}
)

執行文件查詢：

db.book.find({author : "James"})

更新文件的命令：

db.book.update(
   {"_id" : ObjectId("5c61301c15338f68639e6802")},
   {"$inc": {"viewCount": 3} }
)

刪除文件的命令：

db.book.remove({"_id":
     ObjectId("5c612b2f15338f68639e67d5")})

在傳統的SQL語法中，可以限定返回的欄位，MongoDB可以使用Projection來表示：

db.book.find({"author": "James"}, 
    {"_id": 1, "title": 1, "author": 1})

實現簡單的分頁查詢：

db.book.find({})
    .sort({"viewCount" : -1})
    .skip(10).limit(5)

這種基於BSON/JSON 的語法格式並不複雜，它的表達能力或許要比SQL更加強大。
與 MongoDB 做法類似的還有 ElasticSearch，後者是搜尋資料庫的佼佼者。

關於文件操作與 SQL方式完整的對比，官方的文件描述得比較詳細：
https://docs.mongodb.com/manual/reference/sql-comparison/

那麼，一個有趣的問題是 MongoDB 能不能用 SQL進行查詢？

當然是可以！

但需要注意這些功能並不是 MongoDB 原生自帶的，而需要藉由第三方工具平臺實現：

• 客戶端使用SQL，可以使用 mongobooster、studio3t 這樣的工具
• 服務端的話，可以看看 presto 之類的一些平臺..

四、索引

無疑，索引是一個資料庫的關鍵能力，MongoDB 支援非常豐富的索引型別。
利用這些索引，可以實現快速的資料查詢，而索引的型別和特性則是針對不同的應用場景設計的。

索引的技術實現依賴於底層的儲存引擎，在當前的版本中 MongoDB 使用 wiredTiger 作為預設的引擎。
在索引的實現上使用了 B+樹的結構，這與其他的傳統資料庫並沒有什麼不同。
所以這是個好訊息，大部分基於SQL資料庫的一些索引調優技巧在 MongoDB 上仍然是可行的。

圖-B+樹

使用 ensureIndexes 可以為集合宣告一個普通的索引：

db.book.ensureIndex({author: 1})

author後面的數字 1 代表升序，如果是降序則是 -1

實現複合式(compound)的索引，如下：

db.book.ensureIndex({type: 1, published: 1})

只有對於複合式索引時，索引鍵的順序才變得有意義

如果索引的欄位是陣列型別，該索引就自動成為陣列(multikey)索引：

db.book.ensureIndex({tags: 1})

MongoDB 可以在複合索引上包含陣列的欄位，但最多隻能包含一個

索引特性

在宣告索引時，還可以通過一些引數化選項來為索引賦予一定的特性，包括：

• unique=true，表示一個唯一性索引
• expireAfterSeconds=3600，表示這是一個TTL索引，並且資料將在1小時後老化
• sparse=true，表示稀疏的索引，僅索引非空(non-null)欄位的文件
• partialFilterExpression: { rating: { $gt: 5 }，條件式索引，即滿足計算條件的文件才進行索引

索引分類

除了普通索引之外，MongoDB 支援的型別還包括：

• 雜湊(HASH)索引，雜湊是另一種快速檢索的資料結構，MongoDB 的 HASH 型別分片鍵會使用雜湊索引。
• 地理空間索引，用於支援快速的地理空間查詢，如尋找附近1公里的商家。
• 文字索引，用於支援快速的全文檢索
• 模糊索引(Wildcard Index)，一種基於匹配規則的靈活式索引，在4.2版本開始引入。

索引評估、調優

使用 explain() 命令可以用於查詢計劃分析，進一步評估索引的效果。
如下：

> db.test.explain().find( { a : 5 } )

{
  "queryPlanner" : {
    ...
    "winningPlan" : {
      "stage" : "FETCH",
      "inputStage" : {
        "stage" : "IXSCAN",
        "keyPattern" : {
            "a" : 5
        },
        "indexName" : "a_1",
        "isMultiKey" : false,
        "direction" : "forward",
        "indexBounds" : {"a" : ["[5.0, 5.0]"]}
        }
    }},
   ...
}

 

從結果 winningPlan 中可以看出執行計劃是否高效，比如：

• 未能命中索引的結果，會顯示COLLSCAN
• 命中索引的結果，使用IXSCAN
• 出現了記憶體排序，顯示為 SORT

關於 explain 的結果說明，可以進一步參考文件：

https://docs.mongodb.com/manual/reference/explain-results/index.html

五、叢集

在大資料領域常常提到的4V特徵中，Volume(資料量大)是首當其衝被提及的。
由於單機垂直擴充套件能力的侷限，水平擴充套件的方式則顯得更加的靠譜。 MongoDB 自帶了這種能力，可以將資料儲存到多個機器上以提供更大的容量和負載能力。
此外，同時為了保證資料的高可用，MongoDB 採用副本集的方式來實現資料複製。

一個典型的MongoDB叢集架構會同時採用分片+副本集的方式，如下圖：

圖-MongoDB 分片叢集(Shard Cluster)

架構說明

• 資料分片（Shards）
  分片用於儲存真正的叢集資料，可以是一個單獨的 Mongod例項，也可以是一個副本集。 生產環境下Shard一般是一個 Replica Set，以防止該資料片的單點故障。
  對於分片集合(sharded collection)來說，每個分片上都儲存了集合的一部分資料(按照分片鍵切分)，如果集合沒有分片，那麼該集合的資料都儲存在資料庫的 Primary Shard中。

• 配置伺服器（Config Servers）
  儲存叢集的後設資料（metadata），包含各個Shard的路由規則，配置伺服器由一個副本集(ReplicaSet)組成。

• 查詢路由（Query Routers）
  Mongos是 Sharded Cluster 的訪問入口，其本身並不持久化資料 。Mongos啟動後，會從 Config Server 載入後設資料，開始提供服務，並將使用者的請求正確路由到對應的Shard。
  Sharding 叢集可以部署多個 Mongos 以分擔客戶端請求的壓力。

分片機制

下面的幾個細節，對於理解和應用 MongoDB 的分片機制比較重要，所以有必要提及一下：

1. 資料如何切分

首先，基於分片切分後的資料塊稱為 chunk，一個分片後的集合會包含多個 chunk，每個 chunk 位於哪個分片(Shard) 則記錄在 Config Server(配置伺服器)上。
Mongos 在操作分片集合時，會自動根據分片鍵找到對應的 chunk，並向該 chunk 所在的分片發起操作請求。

資料是根據分片策略來進行切分的，而分片策略則由 分片鍵(ShardKey)+分片演算法(ShardStrategy)組成。

MongoDB 支援兩種分片演算法：

• 範圍分片

如上圖所示，假設集合根據x欄位來分片，x的取值範圍為[minKey, maxKey]（x為整型，這裡的minKey、maxKey為整型的最小值和最大值），將整個取值範圍劃分為多個chunk，每個chunk（預設配置為64MB）包含其中一小段的資料：
如Chunk1包含x的取值在[minKey, -75)的所有文件，而Chunk2包含x取值在[-75, 25)之間的所有文件...

範圍分片能很好的滿足範圍查詢的需求，比如想查詢x的值在[-30, 10]之間的所有文件，這時 Mongos 直接能將請求路由到 Chunk2，就能查詢出所有符合條件的文件。 範圍分片的缺點在於，如果 ShardKey 有明顯遞增（或者遞減）趨勢，則新插入的文件多會分佈到同一個chunk，無法擴充套件寫的能力，比如使用_id作為 ShardKey，而MongoDB自動生成的id高位是時間戳，是持續遞增的。

• 雜湊分片

Hash分片是根據使用者的 ShardKey 先計算出hash值（64bit整型），再根據hash值按照範圍分片的策略將文件分佈到不同的 chunk。
由於 hash值的計算是隨機的，因此 Hash 分片具有很好的離散性，可以將資料隨機分發到不同的 chunk 上。 Hash 分片可以充分的擴充套件寫能力，彌補了範圍分片的不足，但不能高效的服務範圍查詢，所有的範圍查詢要查詢多個 chunk 才能找出滿足條件的文件。

2. 如何保證均衡

如前面的說明中，資料是分佈在不同的 chunk上的，而 chunk 則會分配到不同的分片上，那麼如何保證分片上的 資料(chunk) 是均衡的呢？
在真實的場景中，會存在下面兩種情況：

• A. 全預分配，chunk 的數量和 shard 都是預先定義好的，比如 10個shard，儲存1000個chunk，那麼每個shard 分別擁有100個chunk。
  此時叢集已經是均衡的狀態(這裡假定)

• B. 非預分配，這種情況則比較複雜，一般當一個 chunk 太大時會產生分裂(split)，不斷分裂的結果會導致不均衡；或者動態擴容增加分片時，也會出現不均衡的狀態。 這種不均衡的狀態由叢集均衡器進行檢測，一旦發現了不均衡則執行 chunk資料的搬遷達到均衡。

MongoDB 的資料均衡器執行於 Primary Config Server(配置伺服器的主節點)上，而該節點也同時會控制 Chunk 資料的搬遷流程。

圖-資料自動均衡

對於資料的不均衡是根據兩個分片上的 Chunk 個數差異來判定的，閾值對應表如下：

Number of Chunks	Migration Threshold
Fewer than 20	2
20-79	4
80 and greater	8

MongoDB 的資料遷移對叢集效能存在一定影響，這點無法避免，目前的規避手段只能是將均衡視窗對齊到業務閒時段。

3. 應用高可用

應用節點可以通過同時連線多個 Mongos 來實現高可用，如下：

圖- mongos 高可用

當然，連線高可用的功能是由 Driver 實現的。

副本集

副本集又是另一個話題，實質上除了前面架構圖所體現的，副本集可以作為 Shard Cluster 中的一個Shard(片)之外，對於規模較小的業務來說，也可以使用一個單副本集的方式進行部署。
MongoDB 的副本集採取了一主多從的結構，即一個Primary Node + N* Secondary Node的方式，資料從主節點寫入，並複製到多個備節點。

典型的架構如下：

利用副本集，我們可以實現：：

• 資料庫高可用，主節點當機後，由備節點自動選舉成為新的主節點；
• 讀寫分離，讀請求可以分流到備節點，減輕主節點的單點壓力。

請注意，讀寫分離只能增加叢集"讀"的能力，對於寫負載非常高的情況卻無能為力。
對此需求，使用分片叢集並增加分片，或者提升資料庫節點的磁碟IO、CPU能力可以取得一定效果。

選舉

MongoDB 副本集通過 Raft 演算法來完成主節點的選舉，這個環節在初始化的時候會自動完成，如下面的命令：

config = {
    _id : "my_replica_set",
    members : [
        {_id : 0, host : "rs1.example.net:27017"},
        {_id : 1, host : "rs2.example.net:27017"},
        {_id : 2, host : "rs3.example.net:27017"},
  ]
}
rs.initiate(config)

initiate 命令用於實現副本集的初始化，在選舉完成後，通過 isMaster()命令就可以看到選舉的結果：

> db.isMaster()

{
    "hosts" : [
    "192.168.100.1:27030",
    "192.168.100.2:27030",
    "192.168.100.3:27030"
    ],
    "setName" : "myReplSet",
    "setVersion" : 1,
    "ismaster" : true,
    "secondary" : false,
    "primary" : "192.168.100.1:27030",
    "me" : "192.168.100.1:27030",
    "electionId" : ObjectId("7fffffff0000000000000001"),
    "ok" : 1
}

受 Raft演算法的影響，主節點的選舉需要滿足"大多數"原則，可以參考下表：

投票成員數	大多數
1	1
2	2
3	2
4	3
5	3

因此，為了避免出現平票的情況，副本集的部署一般採用是基數個節點，比如3個，正所謂三人行必有我師..

心跳

在高可用的實現機制中，心跳(heartbeat)是非常關鍵的，判斷一個節點是否當機就取決於這個節點的心跳是否還是正常的。
副本集中的每個節點上都會定時向其他節點傳送心跳，以此來感知其他節點的變化，比如是否失效、或者角色發生了變化。
利用心跳，MongoDB 副本集實現了自動故障轉移的功能，如下圖：

預設情況下，節點會每2秒向其他節點發出心跳，這其中包括了主節點。 如果備節點在10秒內沒有收到主節點的響應就會主動發起選舉。
此時新一輪選舉開始，新的主節點會產生並接管原來主節點的業務。 整個過程對於上層是透明的，應用並不需要感知，因為 Mongos 會自動發現這些變化。
如果應用僅僅使用了單個副本集，那麼就會由 Driver 層來自動完成處理。

複製

主節點和備節點的資料是通過日誌(oplog)複製來實現的，這很類似於 mysql 的 binlog。
在每一個副本集的節點中，都會存在一個名為local.oplog.rs的特殊集合。 當 Primary 上的寫操作完成後，會向該集合中寫入一條oplog，
而 Secondary 則持續從 Primary 拉取新的 oplog 並在本地進行回放以達到同步的目的。

下面，看看一條 oplog 的具體形式：

{
"ts" : Timestamp(1446011584, 2),
"h" : NumberLong("1687359108795812092"),
"v" : 2,
"op" : "i",
"ns" : "test.nosql",
"o" : { "_id" : ObjectId("563062c0b085733f34ab4129"), "name" : "mongodb", "score" : "100" }
}

其中的一些關鍵欄位有：

• ts 操作的 optime，該欄位不僅僅包含了操作的時間戳(timestamp)，還包含一個自增的計數器值。
• h 操作的全域性唯一表示
• v oplog 的版本資訊
• op 操作型別，比如 i=insert,u=update..
• ns 操作集合，形式為 database.collection
• o 指具體的操作內容，對於一個 insert 操作，則包含了整個文件的內容

MongoDB 對於 oplog 的設計是比較仔細的，比如：

• oplog 必須保證有序，通過 optime 來保證。
• oplog 必須包含能夠進行資料回放的完整資訊。
• oplog 必須是冪等的，即多次回放同一條日誌產生的結果相同。
• oplog 集合是固定大小的，為了避免對空間佔用太大，舊的 oplog 記錄會被滾動式的清理。

有興趣的讀者，可以參考官方文件：

https://docs.mongodb.com/manual/core/replica-set-oplog/index.html

六、事務與一致性

一直以來，"不支援事務" 是 MongoDB 一直被詬病的問題，當然也可以說這是 NoSQL 資料庫的一種權衡(放棄事務，追求高效能、高可擴充套件)
但實質上，MongoDB 很早就有事務的概念，但是這個事務只能是針對單文件的，即單個文件的操作是有原子性保證的。
在4.0 版本之後，MongoDB 開始支援多文件的事務：

• 4.0 版本支援副本集範圍的多文件事務。
• 4.2 版本支援跨分片的多文件事務(基於兩階段提交)。

在事務的隔離性上，MongoDB 支援快照(snapshot)的隔離級別，可以避免髒讀、不可重複讀和幻讀。
儘管有了真正意義上的事務功能，但多文件事務對於效能有一定的影響，應用應該在充分評估後再做選用。

一致性

一致性是一個複雜的話題，而一致性更多從應用角度上提出的，比如：

向系統寫入一條資料，應該能夠馬上讀到寫入的這個資料。

在分散式架構的CAP理論以及許多延續的觀點中提到，由於網路分割槽的存在，要求系統在一致性和可用性之間做出選擇，而不能兩者兼得。

圖 -CAP理論

在 MongoDB 中，這個選擇是可以由開發者來定的。 MongoDB 允許客戶端為其操作設定一定的級別或者偏好，包括：

• read preference
  讀取偏好，可指定讀主節點、讀備節點，或者是優先讀主、優先讀備、取最近的節點
• write concern
  寫關注，指定寫入結果達到什麼狀態時才返回，可以為無應答(none)、應答(ack)，或者是大多數節點完成了資料複製等等
• read concern
  讀關注，指定讀取的資料版本處於怎樣的狀態，可以為讀本地、讀大多數節點寫入，或者是線性讀(linearizable)等等。

使用不同的設定將會產生對於C(一致性)、A(可用性)的不同的抉擇，比如：

• 將讀偏好設定為 primary，此時讀寫都在主節點上。 這保證了資料的一致性，但一旦主節點當機會導致失敗(可用性降低)
• 將讀偏好設定為 secondaryPrefered，此時寫主，優先讀備，可用性提高了，但資料存在延遲(出現不一致)
• 將讀寫關注都設定為 majority(大多數)，一致性提升了，但可用性也同時降低了(節點失效會導致大多數寫失敗)

關於這種權衡的討論會一直存在，而 MongoDB 除了提供多樣化的選擇之外，其主要是通過複製、基於心跳的自動failover等機制來降低系統發生故障時產生的影響，從而提升整體的可用性。

小結

本文主要揭示了 MongoDB 多個方面的細節，同時在使用體驗上也藉助 SQL 的概念做了一些對比。
從筆者的角度看，MongoDB 的發展性是很強的，其靈活快速的開發模式、天生自帶分散式等能力彌補了傳統型SQL資料庫的缺陷。當然，目前的 NewSQL 本質上也貌似在以"模仿的方式"彌補這些缺陷。

希望本文的內容對你能有些參考。

 

作者： 美碼師(zale)

 

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